DE3422039A1

DE3422039A1 - Siedekuehlung, insbesondere zur kuehlung von stromrichtern der leistungselektronik

Info

Publication number: DE3422039A1
Application number: DE19843422039
Authority: DE
Inventors: Erwin 6805 Heddesheim Klein
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1984-06-14
Filing date: 1984-06-14
Publication date: 1985-12-19
Also published as: IT8521139A0; IT1200643B

Description

Siedekühlung, insbesondere zur Kühlung von Stromrichtern
der Leistungselektronik Die Erfindung bezieht sich auf eine Siedekühlung, insbesondere zur Kühlung von Stromrichtern der Leistungselektronik, mit getrennten Siede- und Kondensationszonen, welche durch eine oder zwei Rohrleitungen verbunden sind.
Derartige Siedekühlungen sind bekannt. Sie sind aus der normalen Flüssigkeitskühlung mit Wärmeübergang durch Konvektion entstanden, indem man zur Erzielung höherer Wärmeübergangszahlen die Verdampfungswärme eines Kühlmediums ausnutzte.
Während bei der normalen, der einphasigen Flüssigkeitskühlung zwischen der Wärmeaufnahme und der Wärmeabgabe des flüssigen Kühlmediums größere Entfernungen bestehen können, die durch den Einsatz von Strömungsmaschinen, z.B. Pumpen, überbrückt werden, wurde bei der Siedekühlung eine enge Kopplung von Siede- und Kondensationszone angestrebt. Dies zeigen alle bisher auf dem Markt erschienen und aus der Literatur bekannten Ausführungen, was als Nachteil dieser Kühlungsart angesehen wurde. Die Siedekühlung wurde bisher bei räumlich getrennten Siede-und Kondensationszonen nicht eingesetzt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die enge Kopplung von Siede- und Kondensationszonen zu vermeiden und eine räumlich getrennte Anordnung dieser beiden Zonen zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß der Rückkühler zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Kondensationszone und damit einer den Vortrieb des Dampfes hervorrufenden Druckdifferenz zusätzlich gekühlt wird.
Diese zusätzliche Kühlung des Rückkühlers kann nach weiteren Merkmalen der Erfindung durch eine Überdimensionierung des Rückkühlers selbst oder durch eine zusätzliche Kühlung mittels eines Kälteaggregates erreicht werden. Die Überdimensionierung des Rückkühlers wird durch eine Vergrößerung der Konvektionsfläche des Kondensators erreicht, so daß eine größere Wärmemenge direkt durch Konvektion an die Umgebungsluft abgeführt wird.
Bei der Verwendung eines zusätzlichen Kälteaggregates kann dessen Kondensator zwangsbelüftet sein. Die Zwangsbelüftung kann über einen dem Kälteaggregat zugeordneten Ventilator oder über den dem Kondensator der Siedekühlung zugeordneten Lüfter erfolgen.
Sofern das Niveau des Kondensatspiegels tiefer liegt als das Niveau der Siedeflüssigkeit, ist es zweckmäßig, für den Transport des Kondensats aus dem Kondensator in die Kühldose eine Pumpe oder dergl. vorzusehen.
Bei den bisherigen Flüssigkeitskühlanlagen wird der beim Sieden innerhalb der Flüssigkeit in Form von Blasen auftretende Dampf ein aus der Schwerkraft resultierender Auftrieb erteilt. Dieser kann durch kinetische Energie auch noch nach Austritt des Dampfes aus der Flüssigkeit wirksam sein. Hierdurch ist es möglich, daß der beim Sieden entstehende Dampf zu dem Kondensator gelangt, der im allgemeinen über der Siedezone angeordnet ist. Eine weitere räumliche Trennung der Siede- und Kondensationszonen war nicht möglich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun das Kondensat bewußt derart unterkühlt, daß sich ein Druckgefälle in Richtung des Kondensators einstellt, der ausreicht, dem Dampf den erforderlichen Vortrieb zum Kondensator zu erteilen. Durch ein derartiges Druckgefälle können größere räumliche Entfernungen zwischen Verdampfer und Verflüssiger überbrückt werden. Eine Strömungsmaschine für die Erzeugung des Dampfvortriebs ist bei einer Anordnung gemäß der Erfindung nicht erforderlich.
Anhand schematischer Beispiele soll die Wirkungsweise der verschiedenen Kühlsysteme dargestellt werden. In Fig. 1 ist ein bekanntes Flüssigkeitskühlsystem und in den Fig. 2 bis 5 sind Ausführungsbeispiele für Kühlsysteme gemäß der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 die Flüssigkeitskühlung mit Zwangsumlauf nach dem Stand der Technik; Fig. 2 eine Siedekühlung entsprechend der Erfindung in der einfachsten Ausführungsform; Fig. 3 eine Siedekühlung der Fig. 2, jedoch mit Zwangsrücklauf; Fig. 4 eine Siedekühlung gemäß Fig. 2 mit einem zusätzlichen Kälteaggregat; Fig. 5 eine Siedekühlung gemäß Fig. 2 mit einer gemeinsamen Dampf- und Flüssigkeitsrohrleitung.
In Fig. 1, die eine bekannte Flüssigkeitskühlung zeigt, wird von einer nicht dargestellten Wärmequelle, z.B.
einem Stromrichter, die Wärmeleistung P an eine Kühldose 1 mit der Kühlflüssigkeit 2 durch direkten Berührungskontakt abgegeben. Statt der Dose kann auch ein Kessel vorhanden sein, indem die Wärmequelle eingetaucht ist. Die erwärmte Kühlflüssigkeit 3, die in einem Verbindungsrohr 4 zwischen der Kühldose 1 und dem Wärmeaustauscher 5 fließt, transportiert die Energie zu dem Wärmeaustauscher 5. In dem Wärmeaustauscher wird die Energie an den von dem Ventilator 6 erzeugten Luftstrom abgegeben. Die abgekühlte Flüssigkeit 7 wird dann über eine Rohrleitung 8 zur Kühldose 1 zurückgeführt. Der Zwangsumlauf wird über eine Pumpe 9 hergestellt, die vorzugsweise in dem Rohr 8 angeordnet ist. Die Wirkleistung der Kühlanlage ergibt sich aus dem Produkt aus Druckabfall und Volumenstrom. Um bei einer gegebenen Verlustleistung einen bestimmten Temperaturhub einzustellen, müssen die Werte der Anlage entsprechend gewählt werden. Der Temperaturhub wird mitgeprägt durch die Erwärmung der Kühlflüssigkeit.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Die Wärmequelle selbst ist hier ebenfalls nicht dargestellt.
Mit 10 ist die Kühldose und mit 20 die Kühlflüssigkeit bezeichnet. Der durch Sieden erzeugte Dampf 30 kann über eine Rohrleitung 40 zu einem Kondensator 50 strömen, wobei sein Vortrieb durch die Druckdifferenz zwischen der Siedezone in der Kühldose 10 und der Kondensationszone im Kondensator 50 erzeugt wird. Durch Wärmeableitung, in diesem Ausführungsbeispiel durch den Ventilator 60, wird eine Kondensation des Dampfes durch Abkühlung unter den Siedepunkt erreicht. Das verflüssigte Kältemittel 70 fließt über eine Rohrleitung 80 in die Kühl dose 10 zurück, wobei der erforderliche Vortrieb durch Schwerkraft erzeugt wird. Diese Vortriebskraft ist von der Flüssigkeitsniveaudifferenz h abhängig.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
Bei gleichen Teilen sind gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet worden. Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 2 wird der Rückfluß des Kondensats 70 wegen einer negativen Flüssigkeitsniveaudifferenz -h durch eine Pumpe 90 erreicht. Da die Pumpe nur den bedeutend kleineren Volumenstrom des Kühlmittels und den daraus resultierenden kleineren Druck - gleiche Rohrquerschnitte vorausgesetzt - wie bei der Flüssigkeitskühlung nach Fig. 1 fördern muß, kann die Pumpe bedeutend kleiner sein als eine in Fig. 1 eingesetzte Pumpe.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 2 und in Fig. 3 verwendet worden.
Die Temperaturabsenkung des Kondensats und damit das Einstellen einer Druckdifferenz für den Vortrieb des Dampfes wird in diesem Fall durch ein zusätzliches Kälteaggregat 150 erzeugt. Von diesem Kälteaggregat sind nur die Hauptkomponenten gezeigt, wobei das Kühlelement des Verdampfers mit 100, der Kompressor mit 110 und der Verflüssiger (Kondensator) mit 120 bezeichnet sind. Es kann ein eigener Ventilator 140 vorgesehen werden, falls die natürliche Konvektion nicht ausreichend ist. Da bei der relativ kleinen Temperaturabsenkung (kleine Druckdifferenz) nicht viel Leistung abgeführt werden muß, kann unter Umständen mit der natürlichen Wärmekonvektion gearbeitet werden. Wird der Verflüssiger - wie strichpunktiert dargestellt und mit 130 bezeichnet - luftmäßig dem Kondensator 50 zugeordnet, so erfolgt seine Kühlung über den Ventilator 60.
Eine Pumpe 90 kann vorgesehen sein, wenn das Kühlmittel niveau ähnlich wie in Fig. 3 in dem Kondensator tiefer als in der Kühldose ist.
In Fig. 5 wird die Wärmeleistung von der Kühldose oder dem Kessel 160 aufgenommen, die nur einen hydraulischen Anschluß für eine kombinierte Dampf- und Flüssigkeitsleitung 180 hat. Nur über diese Leitung ist die Kühldose mit einem Kondensator 170 verbunden. Die gegenläufigen Ströme von Dampf und Flüssigkeit werden durch Temperaturdifferenz und Schwerkraft bewegt. Der Kondensator 170 wird in der dargestellten Ausführungsform von dem Ventilator 60 gekühlt. Der Innendurchmesser des Verbindungsrohres 180 muß den doppelten Aufgaben angepaßt sein.
Ebenfalls ist es zweckmäßig, den Höhenunterschied der beiden Flüssigkeitspegel größer zu wählen als bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 und 4. Aus diesem Grund eignet sich diese Ausführungsform für Kühlanordnungen, bei denen ein derartiger Höhenunterschied durch vorhandene Anordnungsmöglichkeiten bereits vorgegeben ist.
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Claims

Ansprüche Siedekühlung, insbesondere zur Kühlung von Stromrichtern der Leistungselektronik, mit getrennten Siede- und Kondensationszonen, welche durch eine oder zwei Rohrleitungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkühler (5,50,170) zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Kondensationszone und damit einer den Vortrieb des Dampfes hervorrufenden Druckdifferenz zusätzlich gekühlt wird.
2. Siedekühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkühler (5,50,170) überdimensioniert ist.
3. Siedekühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine vergrößerte Konvektionsfläche am Kondensator vorgesehen ist.
4. Siedekühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Kondensators (5,50,170) ein Luftstrom durch einen Ventilator (6,60) erzeugt wird.
5. Siedekühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkühler durch ein zusätzliches Kälteaggregat (150) gekühlt wird.
6. Siedekühlung nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (120) des zusätzlichen Kälteaggregates (150) zwangsbelüftet ist.
7. Siedekühlung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zwangsbelüftung über einen dem Kälteaggregat (150) zugeordneten Ventilator erfolgt.
8. Siedekühlung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangsbelüftung durch den dem Kondensator (50) zugeordneten Lüfter (60) erfolgt.
9. Siedekühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei räumlich tiefer liegendem Niveau des Kondensatspiegels gegenüber dem der Siedeflüssigkeit der Kondensattransport mittels einer Pumpe (90) erfolgt.